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刘羊九等就膜蒸馏技术研究及应用进展发表综述与专论
《化工进展》杂志 刘羊九 / 时间:2018-11-02 10:52:11

  据化工进展微信公众平台2018年10月10日讯 膜蒸馏作为一种新型分离技术,具有操作温度低、设备简单、脱盐率高等特点,在海水淡化、苦咸水脱盐、果汁浓缩等过程具有良好的应用前景。山东大学能源与动力工程学院刘羊九、王云山、韩吉田和约翰内斯堡大学机械工程学系任天健在《化工进展》上发表的《膜蒸馏技术研究及应用进展》(《化工进展》2018年第37卷第10期:3726-3736,DOI:10.16085/j.issn.1000-6613.2018-0120)一文,简述了膜蒸馏的工作原理、特点和膜材料的制备方法,指出当前膜材料的研究方向。综述了直接接触式、气隙式、真空式和气扫式4种基本膜蒸馏形式和几种改进的膜蒸馏形式的传热传质原理、研究现状和发展方向。重点介绍了可再生能源以及工业低温余热驱动膜蒸馏的技术特点、研究现状和应用,包括太阳能光伏/光热驱动膜蒸馏技术、太阳能热泵耦合驱动膜蒸馏技术、太阳池膜蒸馏技术、地热能梯级利用驱动膜蒸馏技术和低温余热驱动膜蒸馏技术等,并指出其发展方向。最后,探讨了膜蒸馏技术亟待研究和解决的问题,为该技术的进一步发展提供参考。
  膜蒸馏(membrane distillation,MD)是一种采用疏水微孔膜为分隔介质,以膜两侧蒸汽压力差为传质传热驱动力的分离过程,该过程可看作是膜分离与蒸馏过程的集合。以膜蒸馏海水淡化为例,被加热后海水中的水分在膜的高温侧蒸发,穿过多孔疏水膜后在低温侧冷凝富集,而海水中的盐则不能透过疏水膜,从而实现了海水脱盐得到淡化水。膜蒸馏自1963年首次提出以来,因其截留率高、操作简单等特点一直受到许多学者的关注,但迄今为止仍未得到商业化应用,这主要受膜材料成本较高、膜蒸馏过程能耗大等因素等因素制约。因此,研发新型膜材料、创新膜蒸馏形式以及利用低品位能源驱动膜蒸馏等将有助于该技术的进一步发展。
  本文从膜蒸馏的原理及特点、膜材料、膜蒸馏形式以及可再生能源和低温余热驱动膜蒸馏4个方面综述研究现状,分析现存问题,并对其未来发展方向进行展望。


表1.不同膜分离技术对比

刘羊九等就膜蒸馏技术研究及应用进展发表综述与专论


表2.不同膜材料的特性参数

刘羊九等就膜蒸馏技术研究及应用进展发表综述与专论


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图1.4种基本膜蒸馏形式


表3.几种典型膜蒸馏工程项目

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图2.太阳能驱动膜蒸馏过程示意图

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图3.直接接触式太阳能膜蒸馏系统

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图4.间接接触式太阳能膜蒸馏系统

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图5.光热型太阳能热泵膜蒸馏装置

刘羊九等就膜蒸馏技术研究及应用进展发表综述与专论

图6.一种SGSP驱动膜蒸馏原理示意图


表4.不同海水淡化技术成本一览表

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图7.地热能梯级利用流程图


刘羊九等就膜蒸馏技术研究及应用进展发表综述与专论

图8.电厂余热驱动膜蒸馏系统示意图


  本文对膜材料、膜蒸馏形式以及可再生能源和工业低温余热驱动膜蒸馏技术的基本原理、研究进展和发展方向进行了探讨。
  在膜材料方面,因高分子有机聚合物具有良好的疏水性和稳定性而受到广泛重视,提高膜通量和疏水性、降低热损失及运行成本一直是主要研究方向,同时料液压力、膜厚度、孔隙率及弯曲度参数之间的优化匹配也很重要。除了典型的高分子有机聚合物膜(如PTFE、PP、PVDF)以外,新型共聚物混合基质膜(如PVDF/HFP、PVDF/CTFE、PVDF/PS、PVDF/PES等)也已成为研究热点,其配比关系和制备条件有待于进一步研究。当前膜材料研发大多处于实验室规模,探究膜材料几何参数的放大效应,从而保证膜材料的高效稳定运行是未来发展的方向之一。
  在膜蒸馏形式方面,目前对DCMD研究较多,其次是VMD和AGMD,而SGMD的研究则较少,此外膜蒸馏的改进形式(如PGMD、V-MEMD、VEDCMD等)在提高膜通量、减少热损失方面更具有优势,然而相关研究尚处于起步阶段,需要对其进一步进行研究和产业化发展。
  在能源耦合膜蒸馏技术方面,太阳能驱动膜蒸馏技术研究较多,主要包括光伏、光热和太阳池技术等。目前该技术主要应用在干旱少雨等淡水资源匮乏地区。尽管太阳能膜蒸馏技术成本较高,大尺寸商用太阳能驱动膜蒸馏系统的可行性仍需进一步研究,但小型便携式系统的开发对基础设施落后地区仍具有重要意义。低温地热能可提供稳定的热源,且不受季节变化和气温波动的影响,较适宜作为驱动膜蒸馏装置的热源。但由于受到地热分布的限制,目前地热驱动膜蒸馏技术研究相对较少。如地下水的物理化学性质(如硬度)对系统膜通量和热效率的影响,地热梯级利用的耦合与优化,以及地下水开采或回灌技术对其生态的影响,地热与太阳能、风能等其他可再生能源耦合驱动膜蒸馏技术等都是未来研究的重要方向;工业余热驱动膜蒸馏技术可有效利用工业低温余热,具有良好的经济和环境效益。
  综上所述,膜蒸馏技术已取得了快速发展,但仍存在诸多亟待解决的问题,制约其商业化发展的主要因素有以下方面。
  (1)膜蒸馏材料生产成本较高,与其他膜分离技术相比没有价格优势。
  (2)膜蒸馏过程能耗过大,提高了其运行成本。
  (3)膜蒸馏过程长期运行时膜表面出现结垢和堵塞现象,导致膜通量降低,甚至造成膜报废。
  (4)膜废料会对环境产生影响。
  针对目前膜蒸馏技术存在的问题,以下给出几个未来发展的方向,以供参考。
  (1)开发出疏水性强、通量高、性能稳定的膜材料,以及针对特定地区的气候特点,开发出成熟的膜蒸馏系统是未来的发展方向之一。
  (2)降低膜蒸馏系统能耗、提高膜通量是膜蒸馏技术的发展方向,如利用太阳能、地热能等可再生能源,使用多级回热系统,反渗透、多级闪蒸等其他脱盐技术与膜蒸馏相结合等对膜蒸馏技术的发展具有重要意义。
  (3)目前尚缺少关于膜结垢形成机理及预防措施的研究。因此,研究污垢特性、膜特性、操作环境和物料特性对污垢形成的影响机理及结垢的预防措施是未来的研究方向。
  (4)目前在膜蒸馏生命周期评价(life cycle assessment, LCA)方面鲜有研究,因此,开展对膜蒸馏系统LCA评价也是未来的研究工作之一。